DE3942896A1 - Interferometric sensor for measurement of abstandsaenderungen a small area - Google Patents

Interferometric sensor for measurement of abstandsaenderungen a small area

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DE3942896A1
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Juergen Heinz Dr Massig
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen interferometrischen Sensor, vorzugsweise für ein Atomic-Force-Mikroskop, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. The present invention relates to an interferometric sensor, preferably for an atomic force microscope, according to the preamble of claim 1.

Beim Atomic-Force-Mikroskop wird die Probe, deren Oberfläche untersucht werden soll, auf einen xyz-Scanner gesetzt und leicht gegen eine feine Spitze gedrückt, die an einer Blattfeder befestigt ist. When atomic force microscope, the sample of which the surface is to be tested is placed on an XYZ scanner and pressed lightly against a fine tip, which is fixed to a leaf spring. Die Auslenkung dieser Blattfeder kann auf unterschiedliche Weise gemessen werden. The deflection of the leaf spring can be measured in different ways.

Aus der EP-A1-02 90 648 ist bekannt, die Blattfeder und ihren Träger so auszubilden, daß eine elektrische Größe, z. From EP-A1-02 90 648 is known to form the leaf spring and its support so that an electrical quantity, for. B. die Kapazität, durch die Auslenkung geändert wird. For example, the capacity is changed by the deflection.

In einer Veröffentlichung von R. Erlandsson (J. Vac. Sci. Technol. A6 (2), 266 (1988)) ist ein interferometrisches Verfahren beschrieben. In a publication by R. Erlandsson (J. Vac. Sci. Technol. A6 (2), 266 (1988)), an interferometric method is described. Hierfür ist die Blattfeder in der Nähe der Meßspitze reflektierend ausgebildet und auf dieser Meßfläche wird der Meßstrahl eines Fizeau-artigen Interferometers durch ein Mikroskopobjektiv fokussiert. For this purpose the leaf spring in the vicinity of the probe tip is designed to be reflective and on this measuring surface of the measuring beam of a Fizeau-type interferometer is focused by a microscope objective. Auf der anderen Seite des Mikroskopobjektives befindet sich eine Platte, deren eine Grenzfläche als Referenzfläche dient. On the other side of the microscope objective is a plate, of which one boundary surface is used as a reference surface. Der senkrecht auf diese Referenzfläche auftreffende annähernd parallele Laserstrahl kommt von einem Teilerwürfel, der das von Meß- und Referenzfläche reflektierte Licht auf einen Detektor durchläßt und der die von einem Laser kommende Strahlung in Richtung des Mikroskopobjektives umlenkt. The incident perpendicular to this reference plane approximately parallel laser beam coming from a beam splitter cube, which transmits the light reflected from the measurement and reference surface on a detector and which deflects the light coming from a laser radiation in the direction of the microscope objective. Der Teilerwürfel ist dafür polarisationsabhängig ausgebildet und zwischen ihm und der Platte befindet sich eine Lambda- Viertel-Platte, die verhindert, daß Strahlung in den Laser zurück reflektiert wird. The splitting cube has this polarization-dependent and formed between it and the plate is a quarter-wave plate, which prevents radiation in the laser is reflected back. Die von dem Detektor erfaßte Strahlungsleistung hängt durch die Interferenz von Meßstrahl und Vergleichsstrahl vom Abstand der Meßfläche von dem übrigen Interferometer ab. The radiation detected by the detector performance depends by the interference of measuring beam and the reference beam on the distance of the measuring area from the rest of the interferometer. Bei Abstandsänderungen der Meßfläche erhält man daher Änderungen des Detektorsignales. With changes in distance measurement area changes the detector signal is therefore obtained.

Nachteilig bei diesem bekannten interferometrischen Sensor ist, daß kleine Abstandsänderungen der Meßfläche nicht genügend genau gemessen werden können, wenn maximale oder minimale Strahlungsleistung auf den Detektor trifft. A disadvantage of this known interferometric sensor that small changes in the distance of the measurement surface can not be measured with sufficient accuracy when maximum or minimum radiation power incident on the detector. Außerdem erfordert der große Weglängenunterschied des von Meß- und Referenzfläche reflektierten Lichtes eine hohe Wellenlängenstabilität und eine große Kohärenzlänge und damit einen teuren Laser. In addition, the large path length of light reflected from the measurement and reference light area requires a high wavelength stability and a long coherence length and thus an expensive laser. Der große Weglängenunterschied bewirkt außerdem eine große Temperaturempfindlichkeit der Anordnung. The big difference in distance also causes a large temperature sensitivity of the arrangement.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen interferometrischen Sensor zu schaffen, mit dem kleine Abstandsänderungen immer genügend genau gemessen werden können, der nur einen preiswerten und in den Abmessungen kleinen Laser erfordert und der gegen Temperatureinflüsse möglichst unempfindlich ist. The object of the present invention is to provide an interferometric sensor, can sufficiently with the small distance changes always be accurately measured, the only requires an inexpensive and small in size, and the laser is insensitive as possible to temperature influences.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Strahlteiler und Referenzfläche zwischen Mikroskopobjektiv und Meßfläche angeordnet sind, daß ein Verzögerungselement zwischen Referenzfläche und Meßfläche angeordnet ist, welches derart ausgebildet ist, daß zwei Teilwellen mit zueinander senkrechter Polarisation und einem Gangunterschied (für zweimaligen Durchgang) von ungefähr Lambda-Viertel entstehen, so daß in den beiden Polarisationsrichtungen eine Differenz der Gangunterschiede zwischen Meßstrahl und Vergleichsstrahl von ungefähr Lambda- Viertel entsteht, und daß als Detektionseinrichtung ein polarisationsabhängiger Strahlteiler und zwei Detektoren vorgesehen sind. This object is inventively achieved in that the beam splitter and the reference surface are arranged between the microscope objective and the measurement surface, that a delay element between the reference surface and the measuring surface is arranged which is designed such that two partial waves with mutually perpendicular polarization and a retardation (for two-time passage) of approximately quarter wavelength arise, so that a difference of the path differences between the measurement beam and reference beam of about quarter wave arises in the two directions of polarization, and in that a polarization-dependent beam splitter and two detectors are provided as detection means.

Die Anordnung von Strahlteiler und Referenzfläche zwischen Mikroskopobjektiv und Meßfläche ist aus der sogenannten Mirau-Anordnung bekannt, die z. The arrangement of beam splitter and the reference surface between the microscope objective and the measurement surface is known from the so-called Mirau assembly z. B. in der DE-PS 9 65 607 beschrieben ist. As described in DE-PS 9 65 607. Diese Mirau-Interferenzanordnung ist jedoch nur zur Erzeugung eines (zweidimensionalen) Interferogramms eines mikroskopischen Präparates bekannt. However, these Mirau interference arrangement is known only for the production of a (two-dimensional) interferogram of a microscopic specimen. Bei ihr erfolgt die Untersuchung der Oberflächenform des Präparates mit Hilfe von Interferenzstreifen, aus deren Verlauf die Topographie der Oberfläche bestimmt werden kann. In their investigation the surface form of the preparation with the help of interference fringes from the course of the topography of the surface can be determined takes place. Es handelt sich dabei um die Untersuchung einer Oberfläche. This is about the investigation of a surface.

Bei der vorliegenden Erfindung besteht jedoch die Aufgabe, für einen praktisch punktförmigen Meßort die Abstandsänderungen als Funktion der Zeit zu erfassen. In the present invention, however, the object to detect the changes in distance for a practically punctiform measurement location as a function of time. Würde man die Mirau-Anordnung für die vorliegende Aufgabe übernehmen, indem die zeitliche Änderung der Topographie über Bildauswertung erfaßt wird, so käme man zu einem sehr großen und teilweise überflüssigen Aufwand, da die Topographie sich im vorliegenden Fall nicht ändert. If one were to assume the mirau arrangement for the task by the change in the topography is detected via image analysis, we came to a very large and sometimes unnecessary expense because the topography does not change in this case. Nimmt man zur Vermeidung eines zu großen Aufwandes praktisch nur einen Punkt der Oberfläche dann tritt die weiter oben beschriebene Problematik auf, daß kleine Änderungen und ihre Richtung nicht immer genügend genau und sicher ermittelt werden können, was bei Benutzung der bekannten Mirau-Anordnung durch die Information aus der Umgebung des Punktes teilweise kompensiert werden kann. one takes to avoid excessive expenditure practically only one point on the surface then occurs, the problem described above, that small change and its direction can not always be determined with sufficient accuracy and safe, which when using the known mirau arrangement by the information can be compensated for from the neighborhood of the point part.

Durch die erfindungsgemäße Einführung eines Verzögerungselementes, durch das die Strahlung mit einer Polarisationsrichtung gegenüber der Strahlung mit der dazu senkrechten Polarisationsrichtung verzögert wird, und durch zwei Detektoren für die getrennte Erfassung der Strahlungen in diesen Polarisationsrichtungen wird mit verhältnismäßig kleinem Aufwand die Aufgabe gelöst. Through the inventive implementation of a delay element by which the radiation having a direction of polarization to the radiation with the orthogonal polarization direction is delayed, and by two detectors for the separate detection of the radiation in these directions of polarization, the object is achieved with relatively little effort.

Durch die Anordnung der Referenzfläche zwischen Mikroskopobjektiv und Meßfläche und die dadurch bedingten kleinen Abstände zwischen Meß- und Referenzfläche kann als Lichtquelle ein Laser mit geringer Wellenlängenstabilität und kleiner Kohärenzlänge, also z. By arranging the reference surface between the microscope objective and the measurement surface and the consequent small distances between the measuring and the reference surface can be used as light source a laser with low wavelength stability and small coherence length, that is z. B. eine Laserdiode, verwendet werden. As a laser diode, may be used.

In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die vom Laser ausgehende Strahlung auf der Meßfläche bzw. der Referenzfläche fokussiert; In a first advantageous embodiment of the invention, the radiation emitted by the laser on the measuring surface and the reference surface is focused; Mikroskopobjektiv und Strahlteiler werden rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgeleuchtet. Microscope objective and the beam splitter to the optical axis can be illuminated rotationally symmetrical.

In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform wird die vom Laser ausgehende Strahlung in einem kleinen Abstand vor der Meßfläche bzw. der Referenzfläche fokussiert, so daß die von Meßfläche und Referenzfläche reflektierten Strahlen auf der optischen Achse fokussiert und dort von einem kleinflächigen Spiegel zur Detektionseinrichtung umgelenkt werden. In a second advantageous embodiment, the emitted by the laser radiation into a small distance in front of the measurement surface or the reference surface is focused so that the light reflected from the measurement surface and the reference surface beam focused on the optical axis where it is deflected by a small-surface mirror to the detection device.

In einer dritten vorteilhaften Ausführungsform werden Mikroskopobjektiv und Strahlteiler von der zur Meßfläche bzw. Referenzfläche gehenden Strahlung höchstens nur auf einer Hälfte und von den zur Detektionseinrichtung gehenden Strahlen höchstens in der anderen Hälfte ausgeleuchtet, so daß hin- und zurückgehende Strahlen räumlich voneinander getrennt sind. In a third advantageous embodiment of the microscope objective and the beam splitter from the preceding to the measurement surface and reference surface radiation at most only on one half and from the preceding to the detection device radiation maximum in the other half to be illuminated, so that back and returning beams are spatially separated from each other.

Das Verzögerungselement kann zwischen Strahlteiler und Meßfläche oder zwischen Strahlteiler und Referenzfläche angeordnet sein. The delay element may be disposed between the beam splitter and the measurement surface or between the beam splitter and the reference surface. Es kann in die Platte, welche die teilreflektierende Schicht des Strahlteilers trägt, oder in die Platte, welche die reflektierende Schicht der Referenzfläche trägt, eingekittet oder auf deren freien Oberflächen aufgekittet sein. It can in the plate, which carries the partially reflecting layer of the beam splitter, or cemented into the plate which carries the reflecting layer of the reference surface or is cemented onto its free surface.

Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Lambda-Viertel-Platte in der oben zitierten Veröffentlichung von Erlandsson eine völlig andere Aufgabe hat. It should be noted here that the quarter-wave plate has a completely different task in the above-cited publication by Erlandsson. Sie dient dort lediglich dazu, zusammen mit dem polarisierenden Strahlteiler zu verhindern, daß Laserstrahlung in den Laser zurück reflektiert wird. It is used here merely to prevent, together with the polarizing beam splitter that laser radiation is reflected back into the laser. Die bei der Erfindung benutzte Anwendung des Verzögerungselementes entspricht vielmehr der bekannten Erzeugung eines sogenannten Quadratursignals, worauf in der Erläuterung zu den Figuren näher eingegangen wird. The application of the delay element used in the present invention corresponds to, rather the well-known generation of a so-called quadrature signal, to which in the explanation of the figures will be discussed in more detail.

Es ist selbstverständlich, daß der Gangunterschied des Verzögerungselementes (für zweifachen Durchgang) nicht nur λ/4 sondern auch λ/4+n λ/2 sein kann. It is to be understood that the path difference of the delay element may be not only λ / 4 but also λ / 4 + n λ / 2 (for two times passage).

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß - im Gegensatz zur Anordnung von Erlandsson - an das Mikroskopobjektiv nur sehr geringe Anforderungen gestellt werden, da Linsenfehler die Wellenfronten von Meß- und Vergleichsstrahl identisch verformen, so daß die Interferenzfähigkeit nicht beeinträchtigt wird. A particular advantage of the invention that - are placed on the microscope objective only very small requirements because lens aberrations distort the wave fronts of the measuring and reference beam are identical, so that the interference is not impeded - in contrast to the arrangement of Erlandsson. Da das Mikroskopobjektiv bei der Erfindung - im Gegensatz zur bekannten Mirau-Anordnung - auch kein Bild erzeugt, kann es aus einer einzelnen Linse bestehen, die sogar aus Kunststoff sein kann. Since the microscope objective in the present invention - in contrast to the known Mirau arrangement - also generates a picture, it can consist of a single lens, which can even be made of plastic.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Fig. 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert. The invention is explained below with reference to described in FIGS. 1 to 5 embodiments.

Dabei zeigt Here shows

Fig. 1 Eine Anordnung, bei der die vom Laser ausgehende Strahlung auf der Meßfläche bzw. der Referenzfläche fokussiert wird und Mikroskopobjektiv und Strahlteiler rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgeleuchtet werden; Fig. 1 shows an arrangement in which the radiation emitted by the laser on the measuring surface and the reference surface is focused and microscope objective and the beam splitter are illuminated rotational symmetry to the optical axis;

Fig. 2 eine Anordnung, bei der die vom Laser ausgehende Strahlung in einem kleinen Abstand vor der Meßfläche bzw. der Referenzfläche fokussiert wird; Fig. 2 shows an arrangement in which the radiation emitted by the laser in a small distance in front of the measurement surface or the reference surface is focused;

Fig. 3 eine Anordnung, bei der Mikroskopobjektiv und Strahlteiler von der zur Meßfläche bzw. Referenzfläche gehenden Strahlung nur in einer Hälfte und von der zur Detektionseinrichtung gehenden Strahlung nur in der anderen Hälfte ausgeleuchtet werden; Fig. 3 is an arrangement to be illuminated in the microscope objective and the beam splitter from the preceding to the measurement surface and reference surface radiation only in one half and by the preceding radiation to the detection device only in the other half;

Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der das Verzögerungselement in die Platte eingekittet ist, auf welche die Referenzfläche als reflektierende Schicht aufgebracht ist, und Fig. 4 shows an embodiment in which the delay element is cemented in the plate on which the reference surface is applied as a reflecting layer, and

Fig. 5 eine Ausführungsform, bei der das Verzögerungselement durch die teilreflektierende Schicht des Strahlteilers und die reflektierende Schicht der Referenzfläche verwirklicht ist. Fig. 5 shows an embodiment in which the delay element is realized by the partially reflecting layer of the beam splitter and the reflecting layer of the reference surface.

In Fig. 1 ist mit ( 11 ) ein Laser oder z. In Fig. 1, with (11) a laser or z. B. eine Laserdiode mit einem Kollimator bezeichnet. B. denotes a laser diode with a collimator. Das annähernd parallele Strahlenbündel ( 11 a) wird zum Teil von dem Teilerwürfel ( 12 ) auf den Detektor ( 13 ) reflektiert, dessen einzige Aufgabe eine Kontrolle der vom Laser ( 11 ) abgegebenen Leistung ist. The nearly parallel beam (11a) is partly reflected by the beam splitter cube (12) on the detector (13), whose sole purpose is a control of the laser (11) output power. Diese Kontrolle kann bei genügender Leistungsstabilität oder geringen Genauigkeitsanforderungen entfallen. This control can be dispensed with sufficient power stability and low accuracy requirements. Das durch den Teilerwürfel hindurchgehende Bündel wird von dem Mikroskopobjektiv ( 14 ) auf die reflektierende Meßfläche ( 15 ) fokussiert. The light passing through the beam splitter cube beam is focused by the microscope objective (14) on the reflective measurement surface (15). Durch den Strahlteiler ( 16 s) wird das konvergierende Bündel in einen Meßstrahl ( 11 m) und einen Vergleichsstrahl ( 11 v) aufgespalten, wobei der Vergleichsstrahl von der Referenzfläche ( 17 r) reflektiert wird, die nur einen kleinen Teil der aus dem Mikroskopobjektiv unmittelbar aus- oder eintretenden Strahlen beschneidet. Through the beam splitter (16 s), the converging beam into a measuring beam (11 m) and a reference beam (11 v) is split, wherein the reference beam is reflected by the reference surface (17 r) having only a small proportion of directly from the microscope objective leaking or penetrating rays cuts. Meß- und Vergleichsstrahl werden nach der Reflexion vom Strahlteiler ( 16 s) wieder vereinigt und gehen als annähernd parallele Strahlen zum Teilerwürfel ( 12 ) zurück, von dem sie gemeinsam in Richtung der Detektionseinrichtung ( 18 ) reflektiert werden. Measuring and reference beams after reflection from the beam splitter combined (16 s) again and leave as rays almost parallel to the beam splitter cube (12) back, they are reflected by the joint in the direction of the detection device (18).

Der Strahlteiler ( 16 s) besteht aus einer teilreflektierten Schicht, welche auf der Glasplatte ( 16 ) aufgebracht ist. The beam splitter (16 s) consists of a part of the reflected layer, which is applied to the glass plate (16). In einer vorteilhaften Ausführungsform ist in diese Glasplatte das Verzögerungselement ( 16 v), z. In an advantageous embodiment, in this glass plate is the delay element (16 v), z. B. in Form einer doppelbrechenden Polyvinylalkoholfolie, eingekittet. Example in the form of a birefringent polyvinyl alcohol film, cemented. Das Verzögerungselement bewirkt infolge seiner Doppelbrechung eine Aufspaltung in Teilwellen mit zueinander senkrechten Polarisation, zwischen denen ein Gangunterschied von ungefähr Lambda-Viertel bei zweimaligem Durchgang entsteht. The delay element causes due to its birefringence splitting into partial waves with mutually perpendicular polarization arises between which a path difference of approximately quarter wavelength at twice passageway. Durch diese Aufspaltung des Meßstrahles ( 11 m) entstehen für die beiden Polarisationsrichtungen unterschiedliche Gangunterschiede zwischen Meßstrahl und Vergleichsstrahl, wobei der Unterschied ungefähr Lambda-Viertel beträgt. By this splitting of the measuring beam (11 m) emerge different path differences between the measurement beam and reference beam, wherein the difference is approximately quarter wavelength for the two polarization directions. In den mit den Figuren beschriebenen Ausführungsformen wird das Verzögerungselement zweckmäßigerweise so eingebaut, daß die Polarisationsrichtungen in und senkrecht zur Zeichenebene liegen. In the embodiments described with the figures embodiments, the delay element is advantageously installed so that the polarization directions are in and perpendicular to the plane of the drawing.

In der Detektionseinrichtung ( 18 ) wird durch den polarisationsabhängigen Strahlteiler ( 18 s) die Strahlung mit der einen Polarisationsrichtung auf den Detektor ( 18 d) und die Strahlung mit der anderen Polarisationsrichtung auf den Detektor ( 18 e) geleitet. In the detection device (18) (18 s) the radiation with a polarization direction of the detector (18 d) and the radiation having the other polarization direction toward the detector (18 e) is passed through the polarization dependent beam splitter. Wenn durch das Verzögerungselement für die beiden Polarisationsrichtungen eine Differenz der Gangunterschiede von Meßstrahl ( 11 m) und Vergleichsstrahl ( 11 v) von ungefähr Lambda-Viertel bewirkt wird, dann erhalten die Detektoren ( 18 d, 18 e) unterschiedliche Signale, von denen immer aus einem Richtung und Betrag einer Abstandänderung der Meßfläche ( 15 ) zuverlässig und genau ermittelt werden kann. If by the delay element for the two directions of polarization is a difference of the path differences of the measuring beam (11 m) and reference beams (11 v) is effected from about quarter wavelength, then the detectors will receive (18 d, 18 e) different signals, of which always from (15) can be reliably and accurately determined a direction and amount of a change in distance of the measuring surface. Dazu darf die Strahlung der Lichtquelle ( 11 ) beim Auftreffen auf den Strahlteiler ( 16 s) nicht in einer der beiden Polarisationsrichtungen linear polarisiert sein. For this, the radiation of the light source (11) when impinging on said beam splitter (16 s) may not be linearly polarized in one of two polarization directions. Falls die Lichtquelle linear polarisiert ist, wird ihre Polarisationsrichtung so orientiert, daß in die Polarisationsrichtungen des Verzögerungselementes annähernd gleiche Strahlungsintensitäten fallen. If the light source is linearly polarized, its polarization direction is oriented to fall into the polarization directions of the delay element approximately equal radiation intensities.

Als Lichtquelle kann z. As a light source for can. B. die Laserdiode SLD 202 U der Fa. Sony verwendet werden, deren Strahlung nahezu vollständig linear polarisiert ist. For example, the laser diode SLD 202 U of Fa. Sony be used whose radiation is nearly completely linearly polarized. Als Detektoren sind z. The detectors are for. B. die Silizium-Photodioden BPW 34 B der Fa. Siemens geeignet. For example, the silicon photodiode BPW B from. Siemens suitable 34th

Die Aufspaltung einer Strahlung durch ein Verzögerungselement, z. The splitting a radiation through a delay element z. B. eine Lambda-Viertel-Platte in zwei Komponenten, von denen die zweite gegenüber der ersten um Pi-Halbe verschoben ist, und die Trennung der beiden Komponenten durch polarisationsabhängige Strahlteiler ist bei Interferometern bekannt, z. For example, a quarter-wave plate into two components, of which the second is offset from the first by Pi-half, and the separation of the two components by polarization-dependent beam splitter is known in interferometers, z. B. aus dem Buch von M. Ross, Laser Applications, Vol. /1, Seite 84, Academic Press, New York 1971. Diese Methode, die auch unter der Bezeichnung Quadratursignal bekannt ist, wird im folgenden für das Ausführungsbeispiel näher beschrieben. For example, from the book by M. Ross, Laser Applications, Vol. / 1, page 84, Academic Press, New York 1971. This method, which is also known under the name quadrature signal is described below for the exemplary embodiment.

Eine Abstandsänderung der Meßfläche ( 15 ) in Richtung der optischen Achse ( 10 ) bewirkt auf einem Detektor, z. A change in distance of the measuring surface (15) in the direction of the optical axis (10) effected on a detector z. B. dem Detektor ( 18 d) infolge der Interferenz von Meßstrahl und Vergleichsstrahl ein Wechselspannungssignal, das einem Gleichspannungssignal überlagert ist und folgenden Verlauf hat B. has the detector (18 d) due to the interference of measuring beam and reference beam, an AC signal which is superimposed on a DC voltage signal and the following course

U (d)=U₁ sin (4πd/λ+ϕ₀) U (d) = U₁ sin (4πd / λ + φ₀)

dabei ist d der Abstand, λ die Wellenlänge der verwendeten Strahlung, U₁ die maximale Amplitude des Wechselspannungssignales und ϕ₀ ein konstanter Phasenwinkel. where d is the distance, λ is the wavelength of the radiation used, U₁ is the maximum amplitude of the alternating voltage signal and φ₀ a constant phase angle. Mit einem derartigen Signal lassen sich in der Nähe der Maxima und Minima Abstandsänderungen nicht genau und ihre Richtung nicht sicher bestimmen. With such signal changes in distance can not be near the maxima and minima accurately and unsure determine their direction. Diese Mängel werden mit dem zweiten Detektor vermieden, wenn dessen Wechselspannungssignal in der Phase ungefähr um Pi-Halbe versetzt ist, weil dessen Signal immer gerade dort große und im Verlauf eindeutige Änderungen hat, wo das erste Signal einen Extremwert durchläuft. These shortcomings are avoided with the second detector when the AC signal is offset in phase by about Pi-half because the signal right there has large and clear in the course of changes always where the first signal passes through an extreme value. Zwei derart phasenverschobene Signale werden durch das Verzögerungselement ( 16 v) dadurch erzeugt, daß in ihm für die beiden Polarisationsrichtungen des Meßstrahles ein Weglängenunterschied von Lambda-Viertel bzw. eine Phasendifferenz von Pi-Halbe beim zweimaligen Durchtritt entsteht. Two such phase-shifted signals are generated by the delay element (16 v) in that a path length difference of quarter wavelength, or a phase difference of Pi-half when two-time passage formed in it for the two polarization directions of the measuring beam.

Bei der beschriebenen Anordnung wird ein Teil der Strahlung in die Lichtquelle zurück reflektiert. In the described arrangement, a portion of the radiation is reflected back into the light source. Dies muß bei manchen Lasern unterbunden werden. This must be prevented in some lasers. Das kann durch einen Faraday- Isolator zwischen Laser ( 11 ) und Teilerwürfel ( 12 ) erreicht werden. This can be achieved by a Faraday isolator between the laser (11) and beam splitter cube (12). Wesentlich preiswerter sind die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Anordnungen, bei denen durch geometrische Trennung von Hin- und Rückweg keine Strahlung in die Lichtquelle zurück reflektiert wird. Much cheaper the arrangements shown in Figs. 2 and 3, in which no radiation is reflected back into the light source by geometrical separation of the round trip are.

In Fig. 2 wird durch einen etwas größeren Abstand des Mikroskopobjektivs ( 14 ) von der Meßfläche ( 15 ) erreicht, daß diese nicht mehr im Fokus des Objektives liegt, wodurch die reflektierten Strahlenbündel konvergent sind und daher in ihrem Fokus durch einen kleinen Spiegel ( 32 s) auf einer Glasplatte ( 32 ) aus dem Beleuchtungsstrahlengang herausgelenkt werden können. In Fig. 2 by a somewhat greater distance of the microscope objective (14) from the measuring surface (15) it is achieved that it is no longer situated in the focus of the lens, so that the reflected beams are convergent, and therefore (in its focus by a small mirror 32 s) can be directed out on a glass plate (32) from the illumination beam path. Das umgelenkte, divergierende Bündel wird bei großem Abstand des polarisationsabhängigen Teilerwürfels ( 18 s) durch die Linse ( 33 ) kollimiert. The redirected diverging beam is at a large distance from the polarization dependent beam splitter cube (18 s) through the lens (33) collimates. Der übrige Aufbau entspricht der Fig. 1. The remaining structure corresponds to FIG. 1.

In Fig. 3 wird von den zur Meßfläche ( 15 ) bzw. Referenzfläche ( 17 r) gehenden Strahlungsbündeln höchstens die eine Hälfte von Mikroobjektiv ( 14 ) und Strahlteiler ( 16 s) ausgeleuchtet und die von der Meßfläche ( 15 ) bzw. Referenzfläche ( 17 r) reflektierten Strahlungsbündel gehen durch die andere Hälfte von Mikroobjektiv ( 14 ) und Strahlteiler ( 16 s). In Fig. 3 by the measurement surface (15) or the reference surface (17 r) is continuous radiation beams at most one half of micro-lens (14) and beam splitter (s 16) is illuminated and from the measuring surface (15) or the reference surface (17 r) reflected radiation beam to go through the other half of micro-lens (14) and beam splitter (16 s). Der übrige Aufbau entspricht bis auf den Umlenkspiegel ( 21 ) wieder der Fig. 1. The remaining structure corresponds to the deflection mirror (21) back to FIG. 1.

Das Verzögerungselement kann - wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt - zwischen Strahlteiler ( 16 s) und Meßfläche ( 15 ) angeordnet sein. The delay element may - as shown in Figures 1 to 3 -. And measuring surface (15) may be disposed between the beam splitter (16 s). In diesem Fall ist es zweckmäßig, es in die Glasplatte ( 16 ) zu integrieren, indem ein Lambda-Achtel- Plättchen auf die Rückseite der Glasplatte ( 16 ) oder eine Lambda-Achtel-Folie zwischen zwei Hälften der Glasplatte ( 16 ) gekittet wird. In this case, it is expedient to incorporate it into the glass plate (16) by a lambda-eighth chip is cemented to the back of the glass plate (16) or a Lambda-eighth film between two halves of the glass plate (16). Natürlich kann das Verzögerungselement auch als selbständiges Bauteil zwischen Strahlteiler ( 16 s) und Meßfläche ( 15 ) angeordnet werden. Of course, the delay element can (16 s) are arranged and measuring surface (15) also as an independent component between the beam splitter.

Das Verzögerungselement kann als Lambda-Achtel-Plättchen oder -Folie auch zwischen Strahlteiler und Referenzfläche angeordnet werden. The delay element may be arranged as a lambda-eighth plate or foil and between the beam splitter and the reference surface. In diesem Fall wirkt das Verzögerungselement vor der Aufteilung von Meß- und Vergleichsstrahl sowie nach deren Zusammenführung auf beide Strahlen in gleicher Weise und bringt dadurch in diesen Teilen der Strahlengänge keine Differenz der Gangunterschiede. In this case, the delay element acts in front of the splitting of measuring and reference beam as well as bringing them together to both beams equally and thus brings in these parts of the beam paths no difference of the path differences.

Eine zweckmäßige Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt, bei welcher eine Lambda-Achtel-Folie ( 16 v) zwischen die beiden Hälften einer Glasplatte ( 47 ) eingekittet ist, auf deren dem Strahlteiler ( 16 s) abgewandten Seite die Referenzfläche ( 17 r) in Form einer reflektierenden Schicht aufgebracht ist. An expedient embodiment is shown in Fig. 4, wherein a lambda-eighth foil is cemented between the two halves of a glass plate (47) (16 v), to which the beam splitter (16 s) side facing away from the reference surface (17 r) is applied in the form of a reflective layer. Auch in diesem Fall kann das Verzögerungselement natürlich auch als selbständiges Bauteil zwischen Strahlteiler ( 16 s) und Referenzfläche ( 17 r) ausgeführt werden. Also in this case, the delay element may also as an independent component between the beam splitter are carried out (16 s) and the reference surface (17 r).

Das Verzögerungselement kann auch in Form einer Schicht ( 56 s) realisiert werden, die zugleich teilreflektiert und damit auch als Strahlteiler verwendet wird. The delay element may also be in the form of a layer (56 s) can be realized, which is also partially reflected, and thus also used as beam splitter. Auch die Referenzfläche kann als reflektierende Schicht ( 57 r) realisiert werden, die zugleich als Verzögerungselement wirkt. Also, the reference surface can be realized as a reflective layer (57 r), which also acts as a delay element. In Fig. 5 ist dies dargestellt für den Fall, daß das Verzögerungselement durch beide Arten von Schichten realisiert wird. In Fig. 5 is shown for the case that the delay element is realized by both types of layers. Diese Realisierung des Verzögerungselementes ist jedoch nur möglich bei einer nicht rotationssymmetrischen Ausleuchtung des Mikroskopobjektives ( 14 ) und der bis zur Meßfläche ( 15 ) folgenden Elemente, wie das in der Fig. 3 dargestellt ist. However, this implementation of the delay element is only possible in a non-rotationally symmetric illumination of the microscope objective (14) and to the measuring surface (15) the following elements, as shown in FIG. 3. Dadurch trifft die Strahlung auf die obengenannten Schichten unter einem mittleren Winkel, der von der optischen Mittelachse ( 10 ) abweicht, so daß - wie aus den Fresnelschen Formeln bei schräg einfallender Strahlung bekannt ist - eine Aufteilung in s- und p-Polarisation vorgegeben ist. Thus, the radiation incident on the above layers at an average angle that deviates from the optical central axis (10), so that - a division in s- and p-polarization given - as is known from the Fresnel formulas in oblique incidence radiation.

Claims (10)

  1. 1. Interferometrischer Sensor, vorzugsweise für Atomic- Force-Mikroskop, zur Messung von Abstandsänderungen einer kleinen, reflektierenden Meßfläche ( 15 ) bestehend aus einer Lichtquelle ( 11 ), vorzugsweise einem Laser, einem Strahlteiler ( 16 s) zur Aufteilung in einen Meßstrahl ( 11 m) und einen Vergleichsstrahl ( 11 v), einer Referenzfläche ( 17 r), einem Mikroskopobjektiv ( 14 ) und einer Detektionseinrichtung ( 18 ), dadurch gekennzeichnet, daß Strahlteiler ( 16 s) und Referenzfläche ( 17 r) zwischen Mikroskopobjektiv ( 14 ) und Meßfläche ( 15 ) angeordnet sind, daß ein Verzögerungselement ( 16 v) zwischen Referenzfläche ( 17 r) und Meßfläche ( 15 ) angeordnet ist, welches derart ausgebildet ist, daß zwei Teilwellen mit zueinander senkrechter Polarisation und einem Gangunterschied (für zweimaligen Durchgang) von ungefähr Lambda- Viertel entstehen, so daß in den beiden Polarisationsrichtungen eine Differenz der Gangunterschiede zwischen Meßstrahl ( 11 m) und V 1. Interferometric sensor, preferably for Atomic Force microscope, for measuring distance changes of a small reflective measurement surface (15) consisting of a light source (11), preferably a laser, a beam splitter (16 s) for dividing (into a measuring beam 11 m) and a reference beam (11 v), a reference surface (17 r), a microscope objective (14) and a detection device (18), characterized in that the beam splitter (16s) and the reference surface (17 r) (between the microscope objective 14) and measuring surface (15) are arranged such that a delay element (16 v) between the reference surface (17 r) and measuring surface (15) is arranged which is designed such that two partial waves with mutually perpendicular polarization and a retardation (for two-time passage) of about quarter wavelength are formed so that in the two directions of polarization is a difference of the path differences between the measurement beam (11 m) and V ergleichsstrahl ( 11 v) von ungefähr Lambda-Viertel entsteht, und daß als Detektionseinrichtung ( 18 ) ein polarisationsabhängiger Strahlteiler ( 18 s) und zwei Detektoren ( 18 d, 18 e) vorgesehen sind. ergleichsstrahl (11 v) is produced of approximately quarter wavelength and that the detection device (18) comprises a polarization dependent beam splitter (18s) and two detectors (18 d, 18 e) are provided.
  2. 2. Interferometrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Laser ( 11 ) ausgehende Strahlung auf der Meßfläche ( 15 ) bzw. der Referenzfläche ( 17 r) fokussiert ist und daß Mikroskopobjektiv ( 14 ) und Strahlteiler ( 16 s) rotationssymmetrisch zur optischen Achse ( 10 ) ausgeleuchtet sind ( Fig. 1). 2. An interferometric sensor according to claim 1, characterized in that the from the laser (11) outgoing radiation on the measurement surface (15) or the reference surface (17 r) is focused, and that the microscope objective (14) and beam splitter (16 s) rotationally symmetrical to the illuminated optical axis (10) (Fig. 1).
  3. 3. Interferometrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Laser ( 11 ) ausgehende Strahlung in einem kleinen Abstand vor der Meßfläche ( 15 ) bzw. Referenzfläche ( 17 r) fokussiert ist, so daß die von Meßfläche ( 15 ) und Referenzfläche ( 17 r) reflektierten Strahlenbündel auf der optischen Achse ( 10 ) fokussiert sind und dort von einem kleinen Spiegel ( 32 s) zur Detektionseinrichtung ( 18 ) umgelenkt sind ( Fig. 2). 3. An interferometric sensor according to claim 1, characterized in that the from the laser (11) radiation emanating in a small distance in front of the measuring surface (15) or the reference surface (17 r) is focused, so that from the measurement surface (15) and the reference surface (17 r) reflected beam on the optical axis (10) are focused and there by a small mirror (32s) to the detecting means (18) are deflected (FIG. 2).
  4. 4. Interferometrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mikroskopobjektiv ( 14 ) und Strahlteiler ( 16 s) auf einer Hälfte nur von der in Richtung Meßfläche ( 15 ) bzw. Referenzfläche ( 17 r) gehenden Strahlung und auf der anderen Hälfte nur von der in Richtung Detektionseinrichtung ( 18 ) gehenden Strahlung ausgeleuchtet sind ( Fig. 3). 4. Interferometric sensor according to claim 1, characterized in that the microscope objective (14) and beam splitter (16 s) (r 17) passing on one half only of the in the direction of the measurement surface (15) or the reference surface radiation, and on the other half only of illuminated in the direction detecting means (18) passing radiation (FIG. 3).
  5. 5. Interferometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungselement ( 16 v) zwischen Strahlteiler ( 16 s) und Meßfläche ( 15 ) angeordnet ist. 5. An interferometric sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the delay element (v 16) between the beam splitter (16 s) and measuring surface (15) is arranged.
  6. 6. Interferometrischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungselement ( 16 v) in die Glasplatte ( 16 ) für die teilreflektierte Schicht des Strahlteilers ( 16 s) eingekittet oder auf deren freien Oberfläche aufgekittet ist. 6. An interferometric sensor according to claim 5, characterized in that the delay element (16 v) in the glass plate (16) for the partially reflecting layer of the beam splitter (16 s) is cemented or cemented onto its free surface.
  7. 7. Interferometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungselement ( 16 v) zwischen Strahlteiler ( 16 s) und Referenzfläche ( 17 r) angeordnet ist. 7. An interferometric sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the delay element (16 v) (16 s) and the reference surface (17 r) is disposed between the beam splitter.
  8. 8. Interferometrischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungselement ( 16 v) in die Glasplatte ( 47 ) für die reflektierende Schicht der Referenzfläche ( 17 r) eingekittet oder auf deren freie Oberfläche aufgekittet ist. 8. An interferometric sensor according to claim 7, characterized in that the delay element (16 v) in the glass plate (47) is cemented (17 r) for the reflecting layer of the reference surface or is cemented onto its free surface.
  9. 9. Interferometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungselement ( 16 v) eine Polyvinylalkoholfolie ist. 9. An interferometric sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the delay element (16 v) is a polyvinyl alcohol film.
  10. 10. Interferometrischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungselement durch die teilreflektierende Schicht ( 56 s) des Strahlteilers und/oder die reflektierende Schicht ( 57 r) der Referenzfläche verwirklicht ist, indem bei den Reflexionen eine Differenz zwischen den Phasensprüngen der beiden Polarisationsrichtungen von ungefähr Pi-Halbe entsteht. 10. An interferometric sensor according to claim 4, characterized in that the delay element by the partially reflective layer (56 s) of the beam splitter and / or the reflective layer (57 r) of the reference surface is accomplished by in the reflections of a difference between the phase jumps of the two polarization directions of about Pi-half results.
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